Offenlegungsschrift DE 198 15 242 A1

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Offenlegungsschrift
DE 198 15 242 A1
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Offenlegungstag:
Anmelder:
Forschungszentrum Rossendorf eV, 01474
Schönfeld-Weißig, DE; Fraunhofer-Gesellschaft zur
Förderung der angewandten Forschung e.V., 80636
München, DE
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Int. Cl.6:
F 16 L 55/04
198 15 242.6
4. 4. 98
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Erfinder:
Prasser, Horst-Michael, Dr., 01324 Dresden, DE;
Schlüter, Stefan, Dr., 46117 Oberhausen, DE;
Dudlik, Andreas, 45219 Essen, DE
Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht zu ziehende Druckschriften:
DD 20 10 414
DD
2 11615
WO 94 02 775 A1
FULST,G., RIENMÜLLER,T.: Ungesteuerte und
gesteuerte Rückflußverhinderer. In: 3R
international 34, 1995, H.9, Sep., S.473-482;
Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen
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Anordnung zur Verhinderung eines Kavitationsschlages beim schnellen Absperren einer zum Transport von
Flüssigkeiten genutzten Rohrleitung
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Aufgabe der Erfindung ist eine Anordnung, die nach erfolgtem Schließen der Absperrarmatur das Auftreten von
Druckschlägen sicher verhindert, ohne dabei die Schließgeschwindigkeit der Absperrarmatur zu senken und ohne
eine Einspeisung von Luft oder anderen Gasen in die
Rohrleitung vorzunehmen.
Die Lösung beinhaltet, daß die Rohrleitung in Fließrichtung hinter der Absperrarmatur mit einer Hilfsarmatur
versehen ist und daß sich in der Rohrleitung ein Strömungssensor befindet, dessen Ausgang über einen
Schwellwertschalter mit dem Antrieb der H il fsarmatur
verbunden ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich,
wenn die Rohrleitung zwischen der Absperr- und der
Hilfsarmatur über eine Auffülleitung und eine Auffüllarmatur mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden ist und
wenn in der Rohrleitung zwischen Absperr- und Hilfsarmatur ein Drucksensor angeordnet ist, dessen Ausgang
über einen Schwellwertschalter mit dem Antrieb der Auffüllarmatur verbunden ist.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Verriegelungsschaltung vor, deren Ausgang auf den Antrieb
der Absperrarmatur geschaltet ist, deren einer Eingang
mit dem Ausgang des Schwellwertschalters und deren
anderer Eingang mit der Betätigungseinrichtung für das
Öffnen der Absperrarmatur verbunden ist.
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Beschreibung
Windkessel wird hierzu hinter der Absperrarmatur angeschlossen. Er ist bei Normal betrieb teilweise mit der zu
transportierenden Flüssigkeit gefüllt, über der sich ein Gaspolster befindet. Nachteilig ist, daß der Windkessel zusätzlichen Raum beansprucht und daß Löslichkeit des Gases in
der Flüssigkeit im Windkessel zu einer Verunreinigung der
zu transportierenden Flüssigkeit in der Rohrleitung führt.
Weiterhin müssen die Gasverluste durch dessen Löslichkeit
durch Nachspeisen ausgeglichen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung vorzuschlagen, die nach erfolgtem Schließen der Absperrarmatur
das Auftreten von Druckschlägen sicher verhindert, ohne
dabei die Schließgeschwindigkeit der Absperrarmatur zu
senken, ohne eine Einspeisung von Luft oder anderen Gasen
in die Rohrleitung vorzunehmen und ohne einen Windkessel
einzusetzen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.
Die Hilfsarmatur wird automatisch geschlossen, wenn die
von einem in der Rohrleitung angebrachten Strömungssensor ermittelte Geschwindigkeit einen Schwellwert unterschreitet. Das Geschwindigkeitssignal wird hierzu von einem Schwellwertschalter überwacht, der bei Unterschreitung des vorgegebenen Schwellwerts das Signal zum
Schließen der Hilfsarmatur ausgibt. Erfindungsgemäß kann
anstelle der Hilfsarmatur auch ein Rückflußverhinderer eingesetzt werden, der selbsttätig schließt, wenn eine Strömungsumkehr erfolgt. In diesem Fall entfallen der Strömungssensor und der Schwellwertschalter. Die Strömungsumkehr ist gleichbedeutend mit der Unterschreitung des
Grenzwertes Null für die Flüssigkeitsgeschwindigkeit. Der
Abstand zwischen Absperr- und Hilfsarmatur bzw. Rückflußverhinderer soll vorzugsweise so gewählt werden, daß
die Kavitationsblase die Hilfsarmatur in keinem Fall erreichen kann. Die Position kann durch eine Auslegungsrechnung ermittelt werden:
Wenn die Flüssigkeit der Dichte p mit einer Anfangsgeschwindigkeit v0 strömt, der Sättigungsdruck bei der vorliegenden Temperatur den Wert pS besitzt, am Ende der Transportleitung ein Gegendruck pG vorliegt und die Rohrleitung
eine Länge L hat und horizontal verlegt ist, so tritt bei
schnellem Schließen der Absperrarmatur eine Kavitationsblase auf, die die folgende maximale Länge Lmax nicht überschreiten kann:
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur sicheren und
zuverlässigen Verhinderung des Kavitationsschlages, der
beim schnellen Absperren von Rohrleitungen zur Förderung
von Flüssigkeiten durch die Betätigung von schnellwirkenden Ventilen bzw. Klappen (Absperrarmatur) auftritt, wenn
sich kurz nach dem Schließen der Absperrarmatur hinter
dieser eine Kavitationsblase bildet.
Beim Schließen einer Absperrarmatur in einer Rohrleitung, in der eine Flüssigkeit mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömt, kann es zu sogenannten Kavitationsschlägen kommen. In vielen technischen Anwendungen ist
ein möglichst rasches Absperren von Rohrleitungen erforderlich. Ein Beispiel sind Leitungen zum Fördern von flüssigen Stoffen in chemischen Anlagen von einem Verfahrensschritt zum anderen. Schnellwirkende Absperrarmaturen
werden auch vorgesehen, um im Fall eines Leitungsbruchs
die Menge des aus dem Leck austretenden Mediums zu begrenzen und eine Ausweitung des Störfalls zu verhindern.
Druckschläge werden meist durch Verringerung der
Schließgeschwindigkeit der Absperrarmatur vermindert. Erfahrungsgemäß kann hierdurch der Druckstoß auf der Zulaufseite leicht beherrscht werden, weil dieser unmittelbar
durch die plötzliche Abbremsung der Flüssigkeitssäule ausgelöst wird. Eine Kavitationsblase hinter der Armatur kann
jedoch auch bei größeren Schließzeiten entstehen, insbesondere wenn die Rohrleitung sehr lang ist (Thorley, A. R. D.,
,,Fluid Transients in Pipeline Systems“, D & L George LTD,
1991, Hadley Wood, Bamet, GB). Damit steht die Verringerung der Schließgeschwindigkeit in den meisten Fällen der
Forderung entgegen, die Rohrleitung möglichst rasch abzusperren und kann deshalb nicht zur Verhinderung von Kondensationsschlägen angewandt werden.
Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht in der Belüftung bzw. dem Einspeisen von anderen, nichtkondensierbaren Gasen in die Rohrleitung hinter der Absperrarmatur
(Raschke, E., Salla, M., Hültenschmidt, W.: ,,Druckstoß gedämpft, Rohrleitung geschützt – Kondensationsschläge
in Rohrleitungen unter dem dämpfenden Einfluß von Gasen“, Verfahrenstechnik 7–8/97, S. 45–49). Zu diesem
Zweck wird eine Belüftungsarmatur dicht hinter der
Absperrarmatur angebracht, die beim Auftreten eines Unterdrucks hinter der Absperrarmatur selbsttätig öffnet und
eine bestimmte Menge Luft in die Transportleitung gelangen läßt. Dabei wird davon ausgegangen, daß der Unterdruck infolge Anwesenheit einer Kavitationsbase auftritt.
Die Luft führt zum teilweisen Abbau des Unterdrucks in
der Kavitationsblase. Außerdem wird durch die Anwesenheit der Luft die Kondensationsgeschwindigkeit des Dampfs
während der Phase der Rückströmung der Flüssigkeit stark
vermindert. Als drittes verbleibt nach vollständiger Kondensation des Dampfs eine Luftblase in der Leitung, die
durch ihre gute Kompressibilität den Druckstoß dämpft.
Alle drei genannten Effekte führen zu einer Verminderung
der Druckspitzen beim Kavitationsschlag. In der Praxis
kann Luft häufig nicht verwendet werden, weil sie mit der
Flüssigkeit reagiert bzw. diese unzulässig verunreinigt. In
diesen Fällen kommen andere, mit der Flüssigkeit nicht in
Reaktion tretende Gase zum Einsatz. Nachteilig ist in jedem
Fall, daß durch die Ein- speisung die zu transportierenden
Flüssigkeit verunreinigt wird.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch den Einbau eines Windkessels die Entstehung von Dampfblasen in der
Rohrleitung zu verhindern (Raschke, E., Seelinger, A., Sperber, A., Straßburger, A.: ,,Simulation des instationären hydraulischen Verhaltens verfahrenstechnischer Anlagen mit
langen Rohrleitungen“, CIT 66 (1994) 5, S.652–660). Der
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Der Abstand zwischen der Absperr- und der Hilfsarmatur
∆L sollte mindestens Lmax betragen. Bei Flüssigkeiten höherer Zähigkeit sollte die Reibung bei der Berechnung der maximalen Ausdehnung der Kavitationsblase berücksichtigt
werden. Der Reibungsdruckverlust führt zu einer Verringerung der maximalen Länge gegenüber dem nach der Formel
berechneten Wert. Als Anfangsgeschwindigkeit v0 wird die
Geschwindigkeit verstanden, bei der der Prozeß des Schließens der Absperrarmatur beginnt. Dabei muß zweckmäßigerweise die größte zu erwartende Strömungsgeschwindigkeit angenommen werden.
Nach dem Ansprechen der Hilfsarmatur bzw. dem Schließen des Rückflußverhinderers bleibt die Kavitationsblase
und damit der Unterdruck im Raum zwischen beiden Armaturen bestehen. Ein Öffnen der Absperrarmatur würde in
dieser Situation zu einem Kavitationsschlag führen. Eine
Möglichkeit, diesen Druckstoß zu verhindern, besteht erfindungsgemäß in einem entsprechend langsamen Abbau der
Kavitationsblase über eine Auffüllarmatur, über die Flüssig-
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keit aus einem Reservoir in die Transportleitung eingespeist
wird, welche die Kavitationsblase auffüllt. Die Auffüllarmatur wird geöffnet, wenn das Signal von einem Drucksensor
einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Das Auffüllen geschieht vorzugsweise durch Zuspeisen
von Flüssigkeit, die der Transportleitung selbst entnommen
wird. Hierfür wird die Auffüllarmatur mit dem Abschnitt
der Transportleitung vor der Absperrarmatur verbunden.
Eine zweite Möglichkeit besteht in einer Entnahme der Füllflüssigkeit aus dem Abschnitt der Transportleitung hinter
der Hilfsarmatur.
Solange noch eine Kavitationsblase im Raum zwischen
Absperrarmatur und Hilfsarmatur vorhanden ist, muß dafür
gesorgt werden, daß die Absperrarmatur nicht geöffnet werden kann, weil es dabei zu einem Kondensationsschlag
kommen kann. Erfindungsgemäß wird dies durch eine Verriegelungsschaltung erreicht, die die Verbindung zwischen
der Betätigungsvorrichtung für das Öffnen der Absperrarmatur und dem Antrieb der Absperrarmatur unterbricht, solange der Druck im Rohrleitungsabschnitt zwischen der Absperr- und der Hilfsarmatur bzw. dem Rückflußverhinderer
einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Statt der im Patentanspruch 1 angegebenen Mittel kann
auch ein Rückflußverhinderer eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die zugehörige Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße
Anordnung in ihrer Ausführung mit Hilfsarmatur, Strömungssensor und Schwellwertschalter zur automatischen
Betätigung der Hilfsarmatur, mit Auffüllarmatur sowie mit
Drucksensor und Schwellwertschalter zur Steuerung der
Auffüllarmatur und mit Verriegelung zur Verhinderung des
Öffnens der Absperrarmatur beim Vorhandensein einer Kavitationsblase.
In der Zeichnung ist die Rohrleitung 1 dargestellt, in der
im Normalbetrieb eine Flüssigkeit in der mit 2 bezeichneten
Richtung strömt. In der Rohrleitung befindet sich eine Absperrarmatur 3, die zum schnellen Unterbrechen des Flüssigkeitsstroms dient.
In einem Abstand in Strömungsrichtung hinter der Absperrarmatur 3, der größer sein muß, als die maximale Ausdehnung der Kavitationsblase nach Formel 1, befindet sich
die Hilfsarmatur 4. Die Hilfsarmatur 4 wird erfindungsgemäß durch das Signal vom Schwellwertschalter 5 derart angesteuert, daß sie geschlossen wird, wenn der Strömungssensor 6 einen Abfall der Strömungsgeschwindigkeit unter
den vorgegebenen Geschwindigkeitsschwellwert 12, der
möglichst nahe 0 liegen soll, detektiert.
Die Verhinderung des Kavitationsschlages erklärt sich
wie folgt: Nach dem Schließen der Absperrarmatur führt die
Trägheit der in Bewegung befindlichen Flüssigkeitssäule
dazu, daß hinter der bereits geschlossenen Absperrarmatur
der Druck zeitweilig stark abnimmt. Wenn dabei der Sättigungsdruck der Flüssigkeit unterschritten wird, kommt es
zur Verdampfung und zur Herausbildung einer Kavitationsblase. Da am Rohrleitungsende in der Regel ein höherer
Druck als in der Kavitationsblase herrscht, wird die Flüssigkeitssäule kontinuierlich abgebremst. Nach einiger Zeit
kommt es zur Umkehr der Bewegungsrichtung. Die Kavitationsblase erreicht zu diesem Zeitpunkt ihre maximale Ausdehnung, die in erster Linie von der Fließgeschwindigkeit
vor Schließen der Absperrarmatur, von der Rohrleitungslänge, von der Rohrreibung und vom Gegendruck am Rohrleitungsende abhängt. Ohne die erfindungsgemäße Anordnung führt danach die weiterhin bestehende Druckdifferenz
zur Beschleunigung der Flüssigkeitssäule in Richtung auf
die geschlossene Absperrarmatur. Die Flüssigkeit prallt
schließlich mit einer erheblichen Endgeschwindigkeit auf
die geschlossene Armatur, wobei kurzzeitige Druck- und
Kraftspitzen auftreten, die zu einer Zerstörung der Armatur,
der Rohrleitung oder der Aufhängung bzw. Lagerung der
Rohrleitung führen können. Dieser Effekt wird als Kavitationsschlag bezeichnet.
Die erfindungsgemäß hinter der Absperrarmatur 3 angeordnete Hilfsarmatur 4 wird geschlossen, wenn das Ausgangssignal des Strömungssensor 6 den Geschwindigkeitsschwellwert 12 unterschreitet. Dadurch wird die Flüssigkeit
durch die Hilfsarmatur 4 plötzlich abgebremst. Der dabei
auftretende Druckstoß ergibt sich aus der Momentangeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Schließens der Hilfsarmatur 4. Der Geschwindigkeitsschwellwert 12 ist deshalb vorzugsweise auf einen Wert einzustellen, dessen Betrag so
klein wie möglich ist. Das Absperren der Hilfsarmatur 4 erfolgt damit etwa zum Zeitpunkt der Strömungsumkehr und
der größten Ausdehnung der Kavitationsblase. Letztere wird
zwischen der Absperrarmatur 3 und der Hilfsarmatur 4 eingeschlossen und am Kondensieren gehindert. Der Kavitationsschlag wird unterbunden.
Wenn die Hilfsarmatur 4 in einem Abstand hinter der Absperrarmatur 3 angeordnet ist, bei dem die Kavitationsblase
sich bis in die Rohrleitung hinter der Hilfsarmatur ausdehnen kann, ist die Verhinderung des Kavitationsschlages nur
teilweise wirksam. Der Teil der Kavitationsblase, der sich
nach Schließen der Hilfsarmatur 4 in der Rohrleitung 1 hinter der Hilfsarmatur 4 befindet, wird anschließend kondensieren, wodurch ein Kavitationsschlag auftritt. Die Höhe
dieses Druckstoßes wird jedoch kleiner sein, als die Höhe
des Druckstoßes, der ohne die Verwendung der Hilfsarmaturauftreten würde.
Nach dem Ansprechen der Hilfsarmatur 4 bleibt die Kavitationsblase und damit der Unterdruck im Raum zwischen
beiden Armaturen 3, 4 bestehen. Um ein erneutes Öffnen
der Absperrarmatur 3 ohne das Auftreten eines Druckstoßes
zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß ein entsprechend
langsamer Abbau der Kavitationsblase über die Auffüllarmatur 8 erreicht. Dazu ist die Auffüllarmatur 8 in einer Auffülleitung 7 angeordnet, die den Abschnitt der Rohrleitung 1
vor der Absperrarmatur 3 mit dem Abschnitt zwischen Absperrarmatur 3 und Hilfsarmatur 4 verbindet. Zum Abbau
der Kavitationsblase wird die Auffüllarmatur 8 geöffnet.
Die Auffüllarmatur 8 wird so ausgelegt, daß ihr Strömungsquerschnitt wesentlich kleiner ist, als der Querschnitt der
Rohrleitung 1, so daß das Auffüllen so langsam geschieht,
daß durch das Auffüllen kein Druckstoß auftreten kann.
Eine automatische Steuerung der Auffüllarmatur 8 wird
erfindungsgemäß durch den Drucksensor 9 sowie den
Schwellwertbaustein 10 realisiert. Die Auffüllarmatur 8
wird geöffnet, wenn der Druckschwellwert 13 im Abschnitt
der Rohrleitung 1 zwischen der Absperrarmatur 3 und der
Hilfsarmatur 4 unterschritten wird.
Eine weitere wichtige Funktion der Erfindung besteht
darin, zu verhindern, daß die Absperrarmatur 3 geöffnetwerden kann, wenn sich eine Kavitationsblase zwischen den
beiden Armaturen 3 und 4 befindet. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Verriegelungsschaltung 11
das Öffnen der Absperrarmatur 3 blockiert, wenn der
Schwellwertbaustein 10 in der weiter oben bereits dargelegten Weise das Unterschreiten des Druckschwellwertes 13
und damit das Vorhandensein einer Kavitationsblase anzeigt. Die Verriegelungsschaltung 11 ist zwischen der Betätigungseinrichtung 14 für das Öffnen der Absperrarmatur 3
und den Antrieb der Absperrarmatur 3 angeordnet.
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Patentansprüche
1. Anordnung zur Verhinderung eines Kavitations-
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schlages beim schnellen Absperren einer zum Transport von Flüssigkeiten genutzten Rohrleitung durch
Schließen einer Absperrarmatur, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrleitung in Fließrichtung hinter der Absperrarmatur mit einer Hilfsarmatur versehen ist und
daß sich in der Rohrleitung ein Strömungssensor befindet, dessen Ausgang über einen Schwellwertschalter
mit dem Antrieb der Hilfsarmatur verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsarmatur als selbsttätig schließender
Rückflußverhinderer ausgeführt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrleitung zwischen der Absperr- und der
Hilfsarmatur über eine Auffülleitung und eine Auffüllarmatur mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden ist
und
daß in der Rohrleitung zwischen Absperr- und Hilfsarmatur ein Drucksensor angeordnet ist, dessen Ausgang über einen Schwellwertschalter mit dem Antrieb der
Auffüllarmatur verbunden ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeitsreservoir die Rohrleitung vor
der Absperr- oder hinter der Hilfsarmatur eingesetzt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verriegelungsschaltung vorgesehen ist, deren Ausgang auf den Antrieb der Absperrarmatur geschaltet ist, deren einer Eingang mit dem
Ausgang des Schwellwertschalters und deren anderer
Eingang mit der Betätigungseinrichtung für das Öffnen der Absperrarmatur verbunden ist.
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Nummer:
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F 16 L 55/04
7. Oktober 1999